POBOLJŠANJE SVOJSTAVA TLA I STIJENA Interna skripta Prof.dr. Biljana Kovačević Zelić Zagreb, 2006.

Транскрипт

1 POBOLJŠANJE SVOJSTAVA TLA I STIJENA Interna skripta Prof.dr. Biljana Kovačević Zelić Zagreb, 2006.

2 Podjela poglavlja 1. UVOD 2. ISTRAŽNI RADOVI 3. PODJELA METODA POBOLJŠANJA SVOJSTAVA 4. MEHANIČKO POBOLJŠANJE 5. HIDRAULIČKO POBOLJŠANJE 6. POBOLJŠANJE PRETHODNIM OPTEREĆENJEM Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 2

3 1. UVOD Pod pojmom poboljšanje svojstava tla i stijena (eng. ground improvement, engineering treatment, ground modifications) obuhvaćene su razne tehnike koje se provode radi poboljšanja geotehničkih osobina kako bi se omogućila izgradnja različitih objekata. Obzirom da su tzv. 'dobre' lokacije za izgradnju već iskorištene, javila se potreba za korištenjem lokacija koje nisu povoljne a to je potaknulo i razvoj metoda poboljšanja svojstava tla i stijena. Pri izgradnji objekata na nepovoljnim lokacijama najčešće nailazimo na probleme vezane uz nedovoljnu čvrstoću, te kao posljedicu toga nedopušteno velike deformacije ili lom materijala, te probleme koji nastaju zbog prisutnosti vode u tlu (hidraulički slom, bujajuća i kolapsibilna tla). Tipičan i opće poznat primjer izgradnje na nepovoljnoj lokaciji je kosi toranj u Pisi (slika 1.1a). Na slici 1.1. b) pokazan je razvoj slijeganja s vremenom. Tehnikama poboljšanja tla i stijena upravo se nastoji povećati njihovu čvrstoću ili umanjiti tj. eliminirati nepovoljan utjecaj vode. Tehnike poboljšanja mogu biti privremene ili trajne. U prvom slučaju efekti poboljšanja svojstava traju relativno kratko (obično samo u fazi izgradnje objekata, npr. zamrzavanje tla, sniženje RPV) dok se u drugom slučaju efekti zadržavaju kroz dulji vremenski period (npr. injektiranje, armiranje, dinamičko zbijanje). Osnovni koncepti poboljšanja svojstava tla su: dreniranje, zbijanje (povećanje gustoće), cementiranje (povezivanje čestica npr. kod injektiranja), armiranje (geosintetici, sidra), sušenje, promjene temperature. Metode i tehnike poboljšanja naglašenije su se razvile u prošlom stoljeću, ne samo zbog potrebe gradnje na 'lošim tlima', nego i zbog pojave ureñaja i strojeva koji su omogućili postizanje boljih efekata (npr. vibro-zbijanje) ili zbog pojave sasvim novih tehnika (npr. mlazno injektiranje, čavlano tlo). Tehnike poboljšanja stalno se razvijaju, a meñu najnovije ubrajaju se: armirano i čavlano tlo, te upotreba geosintetičkih materijala. Namjera je ove skripte dati pregled i osnovne značajke odabranih tehnika poboljšanja, te odgovoriti na pitanje u kojim uvjetima i vrstama materijala se pojedine tehnike poboljšanja mogu uspješno primjenjivati, te kako se raznim mjernim metodama može provjeriti efikasnost pojedine metode (monitoring promatranje). Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 3

4 sjever jug Kosi toranj nivo podzemne vode ispuna pijesak glina glina pijesak a) Geotehnički profil terena Opterećenje Izgradnja u tri faze Slijeganje Sjeverna strana Središte Slijeganje južna strana w2 b) Porast opterećenja i slijeganje u tlu kao posljedica izgradnje u fazama Slika 1.1. Kosi toranj u Pisi Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 4

5 2. ISTRAŽNI RADOVI Primjeni bilo koje tehnike poboljšanja svojstava tla i stijena moraju prethoditi istražni radovi kako bi se utvrdile vrste i položaj različitih materijala, kao i njihova svojstva. Istražnim radovima u konačnici se dobiva odgovarajući geološki profil i geotehnički model, u kojem su materijali razvrstani prema nekom klasifikacijskom sustavu (npr. jedinstvena ili USCS klasifikacija) te su istaknute njihova bitna svojstva. Najčešće se rezultati terenskih i laboratorijskih ispitivanja dokumentiraju u geomehaničkom elaboratu. Za svaku se sondu, osim opisa i tablica izvodi tzv. sondažni profil (slika 2.1) gdje su rezultati pregledno prikazani. Na temelju sondažnih profila izrañuje se geotehnički profil (slika 2.2) gdje se dvodimenzionalno prikazuje raspodjela slojeva, razina podzemne vode, odabrana svojstva materijala relevantna za odreñenu vrstu problema itd. Opseg istražnih radova ovisi o geološkim uvjetima te namjeni i značaju objekta u izgradnji. Npr. istražni radovi većeg su opsega u slučaju izgradnje brane nego temelja, ne samo zbog veličine objekta nego i mogućih posljedica u slučaju rušenja objekta. Kako bi se mogla procijeniti uspješnost primjene odreñene tehnike poboljšanja, neka istraživanja koja su prethodila primjeni tehnike moraju se ponoviti i nakon završetka. Osim in-situ ispitivanja, često je potrebno provesti i laboratorijske pokuse na uzorcima. Rezultati takvih pokusa koriste se prilikom odabira tehnike poboljšanja, kao i za potrebe projektiranja pojedinih rješenja. Npr. rezultati edometarskog pokusa koriste se za planiranje i projektiranje tehnike prethodnog opterećenja tla. Pored toga, često se u tijeku izgradnje koriste tehnike opažanja, kako bi se pratila uspješnost pojedine metode ili omogućile eventualno potrebne izmjene. Npr. kod metode predopterećenja prati se slijeganje. Nakon završetka može se pratiti uspješnost pojedine metode, kao npr.: terensko ispitivanje vodopropusnosti kao kriterij za ocjenu uspješnosti injektiranja, ispitivanje tlačnim jastukom kod dinamičkog zbijanja, SPT ili CPT kod vibroflotacije, seizmička ispitivanja. Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 5

6 Slika 2.1. Sondažni profil. Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 6

7 Slika 2.2. Geotehnički profil. 3. PODJELA METODA POBOLJŠANJA SVOJSTAVA Metode i tehnike poboljšanja svojstava tla i stijena mogu se općenito svrstati u četiri skupine: Mehaničko poboljšanje Tehnike plitkog zbijanja Tehnike dubokog zbijanja Hidromehaničko zbijanje Hidrauličko poboljšanje Površinsko odvodnjavanje Drenaža Fizičko i kemijsko poboljšanje Stabilizacija uz upotrebu smjesa Injektiranje Tehnike smrzavanja Poboljšanje upotrebom dodataka Armirano tlo Upotreba geosintetika Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 7

8 4. MEHANIČKO POBOLJŠANJE Mehaničkog poboljšanja odnosi se na povećanje gustoće djelovanjem neke vanjske sile. Najčešće govorimo o metodama zbijanja pri čemu osim metoda površinskog zbijanja postoje i metode dubokog zbijanja. Mehaničkim zbijanjem postiže se sljedeće: povećanje posmične čvrstoće, povećanje nosivosti, poboljšanje stabilnosti kosina, smanjenje stišljivosti i slijeganja, smanjenje propusnosti, smanjenje potencijala likvefakcije, kontrola bujanja. Metode zbijanja primjenjuju se pri izgradnji cesta, zračnih luka, marina, brana, nasipa, te za pripremu temeljnog tla, zasipa iza potpornih konstrukcija i sl. Pri planiranju zbijanja potrebno je sljedeće: Definirati uvjete ugradnje: vlažnost i gustoću tla, debljinu slojeva i sl., Odabrati odgovarajuću mehanizaciju: ježevi, vibracijski ježevi, valjci, Definirati postupak zbijanja: broj prijelaza, raspored zbijanja, Definirati postupke kontrole kvalitete: vrsta i broj pokusa Laboratorijski pokusi zbijanja Laboratorijskim pokusima zbijanja simuliraju se uvjeti terenskog zbijanja, a rezultati koriste za optimizaciju i kontrolu terenske ugradnje. Najčešće se provode standardni i modificirani pokus zbijanja (tzv. Proctorov pokus). Iskustvo je pokazalo da se materijal različito zbija za razne vlažnosti i energije zbijanja. Energija zbijanja trebala bi odgovarati energiji ugradnje kod primjene raznih vrsta valjaka (ježeva) na terenu. R. R. Proctor je standardizirao postupak ugradnje uzoraka u laboratoriju koji je približno odgovarao (prema iskustvu) tadašnjim strojevima (krajem tridesetih godina prošlog stoljeća). Strojevi su se kasnije povećali pa je standardizirana i jedna veća energija zbijanja (slika 4.1). Uspješnost zbijanja zavisna je o: 1. gustoći suhog tla, 2. vlažnosti, 3. energiji zbijanja, i 4. vrsti tla (granulometrijski sastav, postotak glinovitih čestica). Energija zbijanja je mjera mehaničke energije prenesene na tlo. Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 8

9 Pokus se provodi tako da se pripremi po 5 uzoraka od istog materijala, ali različite vlažnosti (približno 2% razlike). Uzorci se zbijaju u standardiziranom kalupu sa zadanom energijom zbijanja; materijal mora potpuno ispuniti kalup, a višak se ukloni pomoću noža; mjerenjem mase materijala prije i nakon sušenja mogu se tako odrediti gustoće vlažnog i suhog tla (ρd) koje odgovaraju različitim vlažnostima. ρ ρ d = 1 + w STANDARDNI PROCTOR MODIFICIRANI PROCTOR visina pada 5cm SLOJ TLA 10cm BAT 11cm TEŽINA BATA (N) VISINA PADA (cm) BROJ UDARACA ENERGIJA ZBIJANJA 3 (knm/m 3 ) ,4 42,5 broj 3*25 slojeva 5* Slika Skica Proctorovog ureñaja. Budući da materijal pri zbijanju uvijek ima odreñenu vlažnost, zbijanjem se zapravo istjeruje zrak iz pora. Odnos zapreminske suhe težine tla, vlažnosti i stupnja zasićenosti (Sr) možemo dobiti iz poznatih formula: ρ = ( 1 n) ρ s + ns r ρ w ρd ρd = ( 1 n) ρ s n = 1 ρ s mw nsrρw ρs w = = ρd = m ρ d ρd sw 1+ ρ S w r ρwsr = ρw w + S ρ s r U dijagramu vlažnosti i gustoće suhog tla, preko ove formule se dobije familija hiperbola u kojima se kao parametar pojavljuje stupanj zasićenosti uzorka. Vlažnost koja odgovara maksimalnoj gustoći suhog tla naziva se optimalnom (slika 4.2) i pri toj vlažnosti treba ugrañivati takav materijal u nasip. Uglavnom Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 9

10 se dozvoljava da vlažnost pri ugradnji varira, ali tako da ρdmax ne odstupa za više od 5%. ρ d (kn/m ) S r =100 % S r =90 % ρ d max w 1 w 2 w w 4 w 5 w(% ) Slika Prikaz odnosa vlažnosti i gustoće suhog tla u pokusu zbijanja. (1) i (5) dobro graduirani krupnozrnati materijal sa dosta prašinasto-glinovitih čestica, (2) i (3) čisti pijesak, (4) i (8) prah, (6) i (9) niskoplastična mršava glina, (7) i 10) visokoplastična masna glina Slika Prikaz odnosa vlažnosti i gustoće suhog tla za razne materijale. Iz gornjeg se dijagrama može zaključiti: - najbolje se može zbiti granulirani materijal s ispunom od sitnih čestica; uopće, dobro graduirani materijali mogu postići veću zbijenost od jednoliko graduiranih (struktura betona), - krupnozrnati materijali bez sitnih čestica su dobro propusni, pa kod većih vlažnosti nema promjene gustoće jer višak vode brzo izlazi iz tla, - prašinasti materijali su znatno osjetljiviji na promjenu vlažnosti od glinovitih i daju se bolje zbiti, Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 10

11 - čiste su gline jako osjetljive na energiju zbijanja, a relativno neosjetljive na promjenu vlažnosti. - karakteristični oblik Proctorove krivulje pojavljuje se uglavnom samo kod koherentnih materijala i mješavina koherentnih i nekoherentnih materijala Probno polje Kod većih se radova tehnologija pripremanja zemljanih materijala ispituje na probnom polju. Podloga probnog polja mora biti poravnata i uvaljana. Primjenjuje se ista tehnologija razastiranja i zbijanja kakva će se kasnije koristiti kod masovnih radova. Materijal se nanosi u slojevima, razastire dozerom, a zbija ježevima ili valjcima. Duljina probnog polja mora biti najmanje 15.0 m. Materijal se ugrañuje pri optimalnoj vlažnosti. Mjeri se promjena gustoće tla s promjenom prijelaza stroja za zbijanje. ~6m >15m >15m h=const. ρ d (t/m) X - debljina sloja h=25m 0 - debljina sloja h=40m 1,8 1,7 1,6 x o x o x x x x o o o o Broj prelaza stroja Slika Prikaz ispitivanja na probnom polju. Rezultati Proctorovog pokusa i probnih polja služe za odreñivanje tehničkih uvjeta za ugrañivanje zemljanih materijala koji trebaju sadržavati: -vrstu materijala, -granulometrijski sastav (gornja i donja granica), -donju i gornju granicu vlažnosti te najmanju dozvoljenu zapreminsku težinu ugrañenog materijala, -najveću dopuštenu debljinu sloja pri zbijanju, -osnovne osobine sredstava za zbijanje, -minimalni broj prelazaka stroja za zbijanje. Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 11

12 Zbijanjem treba postići 95 do 98% maksimalne gustoće dobivene Proctorovim pokusom. Tablica Preporuke za odabir stroja za zbijanje prema vrsti materijala. VRSTA STROJA MASA STROJA (t) GLATKI VALJCI 1 do 18,0 JEŽEVI bodlje 15-20cm VALJCI S GUMENIM KOTAČIMA VIBRACIJSKI GLATKI VALJCI VIBRACIJSKI JEŽEVI VRSTA ZEMLJANOG MATERIJALA kamena podloga, drobljenac, zaglañivanje površina DEBLJINE SLOJA (cm) 15 do 45 3,0 do 20,0 koherentni materijali 15 do 25 8,0 do 50,0 1,0 do 15,0 5,0 do 15,0 koherentni i nekoherentni materijali nekoherentni materijali i nasipi od krupnog drobljenca sitnozrni materijali i koherentni materijali 20 do do 2000 do Plitko (površinsko) zbijanje Plitko ili površinsko zbijanje jedna je od najstarijih metoda poboljšanja svojstava tla. Obzirom na dugu primjenu ove metode postoji veliki raspon mehanizacije (valjci, ježevi), koja se razlikuje po veličini, obliku i načinu rada. Ovisno o načinu rada stroja zbijanje može biti statičko ili dinamičko. 1-vibro-nabijač, 2-vibro-ploča, 3-valjak na gumenim kotačima, 4-vibracijski jež, 5-vibracijski glatki valjak, 6-udarni valjak Slika Strojevi za plitko zbijanje. Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 12

13 Na slici pokazani su strojevi za zbijanje, čije su karakteristike navedene u tablici Na slici pokazani su detaljnije različiti oblici zuba kod ježeva, koji se koriste za razne vrste tala. Što je tlo mekše i vlažnije, to kontaktna površina zuba mora biti veća za postizanje optimalnih učinaka zbijanja. Tablica Karakteristike strojeva za plitko zbijanje. Masa Max. radna Frekvencija Oznaka (t) brzina (km/h) vibriranja (Hz) Debljina sloja (m) Broj prijelaza 1 0,3 0, ,2-0, ,06 0, ,15-0, , ,3-0, ,3-1, ,3-1, ,5-3 do 30 Slika Oblici zuba na ježevima za zbijanje Postupak zbijanja Za provoñenje terenskog zbijanja potrebno je definirati sljedeće: broj prijelaza, debljinu slojeva, i frekvenciju (učestalost) za vibracijsko zbijanje. Obično se koristi 4-6 prijelaza kod dinamičkog zbijanja te 4-8 prijelaza kod statičkog zbijanja. Slika pokazuje odnos gustoće suhog tla i broja prijelaza za dvije vrste tla pri upotrebi različitih strojeva za zbijanje. Optimalni broj prijelaza s ekonomskog i tehničkog stajališta je na dijagramu pokazan točkom maksimalne zakrivljenosti. Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 13

14 Gustoća suhog tla (t/m 3 ) Broj prijelaza Slika Ovisnost gustoće tla o broju prijelaza stroja za zbijanje. Debljina slojeva obrnuto je proporcionalna pritisku zbijanja, što je odreñeno vrstom tla. Kod dinamičkog zbijanja obično se primjenjuju pritisci od kpa za pjeskovita, te kpa za glinovita tla. Raspodjela pritiska po dubini za razne strojeve pokazana je na slici Pritisak (kpa) glina pijesak Dubina (m) LEGENDA: 1-vibro-ploča 135 kg, 2 -vibro ploča 400 kg, 3 -vibro nabijač 60 kg, 4 -vibracijski valjak 1400 kg, 5 -vibracijski valjak 3300 kg, 6 -vibracijski valjak13000 kg Slika Raspodjela dinamičkih pritiska u tlu za vrijeme zbijanja. Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 14

15 Frekvencija vibriranja za teške valjke obično je ciklusa u sekundi (Hz). Stupanj zasićenosti tla takoñer ima utjecaja na učinke zbijanja. Nekoherentna tla lakše se zbijaju u potpuno zasićenom ili potpuno suhom stanju, nego u djelomično zasićenom stanju. Takoñer, kod nekoherentnih tala slabiji učinci postižu se u površinskom dijelu (slika ). Gline i prašinaste gline jako su osjetljive na sadržaj vode pri ugradnji (Proctorov pokus). Relativna gustoća Relativna gustoća Prije zbijanja Dubina Nakon zbijanja a) zbijanje jednog sloja b) zbijanje više uzastopnih slojeva Slika Gustoća pijeska prije i poslije zbijanja. Naputak za odabir odgovarajuće mehanizacije ovisno o vrsti tla i namjeni pokazan je u tablici Tablica : Izbor opreme za zbijanje. Oznaka Vrsta tla Vrsta stroja Optimalni sadržaj vode [%] Terenski Lab. ispitivanja 1 SC 8 t - vibro 14,6 16,2 2 SC 1,5 t - statički 16,5 16,2 3 CH 10 t ježevi 27 24,3 4 CH 1,2 t - statički 31 24,3 Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 15

16 4.3. Duboko zbijanje Duboko zbijanje primjenjuje se u slučaju kada postoje naslage nekoherentnog materijala znatne debljine. Svrha ovog postupka je eliminacija velikih slijeganja, bilo da se radi o totalnim ili diferencijalnim slijeganjima, kao i sprječavanje pojave likvefakcije. Duboko zbijanje postiže se primjenom jedne od sljedećih metoda: prethodno opterećenje (eng. precompresion), primjena eksploziva, dinamička konsolidacija (eng. heavy tamping), vibracijsko zbijanje, kompakcijsko injektiranje (eng. compacting grouting). Uspješnost primjene ovih metoda ovisi o: vrsti tla (granulometrijski sastav, postotak sitnih čestica), stupnju zasićenosti i RPV, početnoj gustoći tla, in-situ stanju naprezanja, strukturi tla. Mogućnosti primjene metoda dubokog zbijanja ovisno o vrsti tla pokazana je slikom Glina Prah Pijesak Šljunak Vibracijska flotacija, 2-Kameni stupci, 3-Eksploziv, 4-Zbijeni piloti, 5- Dinamičko zbijanje promjer zrna (mm) Slika 4.3-1: Primjenjivost metoda dubokog zbijanja u raznim vrstama tla. Princip ili mehanizam djelovanja kod nekoherentnih tala je razbijanje početne strukture kako bi se tlo naknadno dovelo u zbijenije stanje. Kod koherentnih materijala to se postiže induciranom likvefakcijom, kada se zbog kratkotrajnog povećanja pornih pritisaka uz pomoć dinamičkih opterećenja, Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 16

17 takoñer postiže smanjenje čvrstoće i lom materijala, te naknadno postizanje stabilnog stanja. Kod djelomično zasićenih materijala, zbijanje se postiže kolapsom početne strukture i izlaskom plina (zraka) iz pora. Slijeganje uslijed primjene navedenih metoda uglavnom se ostvaruje do kraja postupka zbijanja, a kontrolira se pokusima: CPT, SPT i presiometar. Dubinsko zbijanje prethodnim opterećenjem pripada dominantno skupini hidrauličkih metoda poboljšanja svojstava tla, pa je u ovom poglavlju samo ukratko opisano. Vibracijsko zbijanje uz uporabu aditiva zapravo pripada u metode kompakcijskog injektiranja pa će biti opisano u zasebnom poglavlju Prethodno opterećenje Prethodnim opterećenjem (predopterećenje ili sniženje RPV) postiže se konsolidiranje tla prije izgradnje nekog objekta, čime se smanjuje slijeganje koje će se ostvariti nakon izgradnje (slika ). Primjenjuje se uglavnom u koherentnim tlima, obzirom da je njihov proces konsolidacije dugotrajan. Može se ubrzati izgradnjom raznih drenažnih sustava. Obzirom da je uspjeh ove metode zavisan najviše o hidrauličkim svojstvima tla, ova metoda pripada više skupini hidrauličkih metoda, pa će detaljnije razmotriti u Opterećenje Predopterećenja (q+ q) Konačno opterećenje q Objekt Nakon predopterećenja Slijeganje od q Slijeganje od (q+ q) Bez predopterećenja Slika #. Princip zbijanja predopterećenjem. Slika Vremenski razvoj slijeganja usljed prethodnog opterećenja. Konsolidacija i slijeganje terena uzrokuje se nanošenjem vanjskog dodatnog opterećenja (izgradnjom nasipa odgovarajuće visine) ili snižavanjem RPV. Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 17

18 Vanjsko opterećenje ostavlja se u periodu od nekoliko mjeseci do nekoliko godina, ovisno o učincima koji se žele postići. Ono može biti jednako opterećenju budućeg objekta (q) ili čak veće od konačnog opterećenja (q+ q), kako bi se proces konsolidacije dodatno ubrzao. To opterećenje uklanja se nakon što se ostvari odreñeno slijeganje materijala. Nakon što se tlo rastereti, objekti koji će biti sagrañeni na toj lokaciji uzrokovat će manja slijeganja, jer se dio deformacija ostvario prethodnim opterećenjem Primjena eksploziva Eksplozivi se mogu primijeniti na površini terena ili češće u bušotinama, čime se postiže slom u rahlim materijalima te njihovo preslagivanje u gušće (zbijenije) strukture. Zbijanje tla upotrebom eksploziva često predstavlja brzo i isplativo rješenje. Općenito, procedura zbijanja sastoji se od sljedećih faza: bušenje, punjenje bušotina eksplozivom, zapunjavanje bušotina, detoniranje po odreñenom rasporedu paljenja. Ova metoda daje dobre rezultate u saturiranim, čistim pijescima. Uspješnost metode zavisi o sposobnosti dinamičkih valova da slome početnu strukturu tla, te izazovu likvefakciju i preraspodjelu u gušću strukturu. Iz toga slijedi, da su veća punjenja potrebna ukoliko se postupak provodi u boljim pijescima (veće početne relativne gustoće, Dr) ili je potrebno postići zbijanje do većih dubina. Obično je potrebno metodu ispitati na probnim poljima prije primjene, jer nema općenito prihvaćenog teorijskog modela. Neka ranija istraživanja daju općenite naputke: 1. potrebno punjenje: 1 12 kg, 2. dubina paljenja: > ¼ dubine do dna sloja koji se zbija; uobičajeno je ½ - ¾ dubine, 3. razmak bušotina: 5 15 m, 4. broj uzastopnih postupaka: 1 5, uobičajeno 2 3, u razmaku od nekoliko sati ili dana, 5. ukupne količine eksploziva: g/m 3, uobičajeno g/m 3, 6. slijeganje na površini terena: 2 10 % debljine sloja. Maksimalna dubina do koje se ova metoda može primijeniti nije poznata, no zadovoljavajući rezultati postizani su i na dubinama većim od 30 m. Slijeganje na površini terena dobiva se praktično odmah nakon miniranja, no zapaženo je da se promjene svojstava (mjerene penetracijskim pokusima, npr. Dr) zapažaju tek nakon odreñenog vremena (nekoliko tjedana), što se objašnjava očvršćavanjem materijala (aging, healing) i postizanjem stabilnog Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 18

19 stanja u novom složaju čestica (strukturi). ukoliko se postupak ponavlja nekoliko puta, u svakom narednom koraku slijeganja su sve manja nego u prethodnom koraku. Bitno je napomenuti, da se bitno lošiji rezultati postižu ukoliko je dio pora tla ispunjen zrakom, jer dolazi do prigušenja pritisaka od P-valova. Osim toga, metoda nije primjenjiva za prvih nekoliko metara pri površini terena. često se takoñer dešava da nakon početnog zgušnjavanja medija slijedi razrahljenje. U nehomogenim medijima, zone materijala dobrih osobina mogu izgubiti poželjna svojstva koja su prethodno imala, no ukoliko se na većem području postiže prosječno poboljšanje svojstava, onda je i to prihvatljivo. Postojali su pokušaji primjene ove metode s površine terena, no rezultati nisu bili zadovoljavajući zbog gubitka energije i nedostatka uklještenja. Tehnika hidro-miniranja uspješno se primjenjuje za zbijanje lesnih naslaga. Postupak je pokazan na slici , a provodi se tako da se po obodu najprije napravi jarak širine 0,2 0,4 m i dubine od nekoliko metara. Zatim se kroz bušotine razmaknute nekoliko metara utiskuje voda nekoliko dana tj. dok vlažnost tla ne postane veća od granice tečenja. nakon toga se izvodi miniranje. Obalni jarak Drenažni bunari Bušotine za miniranje Intaktno tlo Zbijeno tlo Intaktno tlo Slika Zbijanje tla uz primjenu eksploziva- hidrominiranje. Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 19

20 Dinamička konsolidacija Ovo je metoda kod koje se teški maljevi spuštaju s velike visine uzrokujući zbijanje tla. Uobičajene su sljedeće veličine: masa malja do 170 t, visina pada do 22 m, efekt zbijanja dubine do 40 m, razmak do 14 m. Dinamička konsolidacija je proces u kojem se povećava gustoća materijala koji je potpuno saturiran a uzrokovana je trenutnim opterećenjem koje uzrokuje posmične deformacije, kratkotrajno visoke porne pritiske (koji mogu uzrokovati i likvefakciju), te konsolidaciju. Ova se metoda može koristiti izmeñu ostalog i na starim odlagalištima, ukoliko se namjerava načiniti prenamjena korištenja prostora. Dubina do koje se ostvaruju efekti zbijanja procjenjuje se prema izrazu: D = 0, 5 W H gdje je: D dubina, [m], W masa malja, [t], H visina pada, [m], Dinamička konsolidacija može biti potpomognuta dodatnim statičkim opterećenjem i vertikalnom drenažom. Slijeganje dobiveno kombinacijom statičkog opterećenja i dinamičkog zbijanja (vertikalni skokovi na krivulji) pokazano je na slici Vrijeme (dani) Slijeganje (mm) Slika Vremenski razvoj slijeganja kod dinamičke konsolidacije. Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 20

21 Kontrola uspješnosti ove metode provodi se uglavnom pomoću SPT, CPT, dilatometrima, presiometrima. Primjer poboljšanje nekih parametara dinamičkim zbijanjem pokazan je na slici Dubina (m) Površina terena RPV 1 2 Prije zbijanja Energija zbijanja 1,2 MJ/m 2 Energija zbijanja 2,4 MJ/m 2 1 SM s % sitnih čestica, 2 SM s % sitnih čestica Slika Učinci dinamičke konsolidacije na neka svojstva tla Vibracijsko zbijanje Ureñaji za vibracijsko zbijanje koriste se od 30-tih godina prošlog stoljeća. Vibracije se odvijaju uglavnom u vertikalnom smjeru, ali mogu i u horizontalnom smjeru (tzv. vibro-flotacija). Dubina do koje se primjenjuje je do 35 m. Brzina penetriranja ovisi o vrsti tla, težini vibracijskog ureñaja i parametrima vibriranja. Penetracija može biti potpomognuta vodom ili zrakom pod pritiskom. Uobičajeno dubinski vibrator ima dužinu od 3 5 m te masu od 2 t. Najbolji rezultati postižu se u rahlim pijescima (SPT = 5 10). Metoda nije primjenjiva u glinama. Krater koji nastaje na površini terena kao posljedica dubinskog zbijanja ispunjava se pijeskom ili mješavinom pijeska i šljunka (slika ). Ovisno o razmaku bušotina mogu se postići relativne gustoće do 85% (slika ). Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 21

22 Pijesak za ispunu Vibrator Mlaznice za vodu Rahlo tlo Stup poboljšanog tla Šljunak i pijesak Koherentno tlo Nosivi sloj Stupac šljunka a) Vibracijsko zbijanje b) Vibracijsko zbijanje sa zamjenom materijal Slika Metode dubokog zbijanja. Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 22

23 Relativna gustoća (%) Obuhvaćena površina (m 2 ) Slika Ovisnost postignute relativne gustoće o rasporedu bušotina. Vibracijsko zbijanje sa zamjenom materijala (eng. vibro-replacement) primjenjuje se u koherentnim tlima, gdje se vibratorom stvori najprije cilindrična rupa koja se naknadno ispunjava krupno-zrnatim materijalom (npr. šljunak ili drobljeni kamen). Zbijanje se može poboljšati upotrebom vode ili zraka pod pritiskom koji se kroz cijev utiskuje, uzrokujući lom i istiskivanje prirodnog materijala koji se nadomješta materijalom koji se utiskuje kroz cijev. Ova metoda najbolje rezultate daje u koherentnim tlima čija je nedrenirana posmična čvrstoća Su = kpa. Za ostale vrste tla uspješnost ovih dviju metoda pokazana je tablicom Tablica Primjenjivost metoda dubokg zbijanja u nekim materijalima. Vrsta tla Vibro-zbijanje Vibro-zbijanje sa zamjenom materijala pijesak vrlo dobro ne primjenjuje se prašinasti pijesak dobro vrlo dobro prah slabo dobro glina ne primjenjuje se dobro rudnički mulj dobro vrlo dobro otpad ne primjenjuje se ne primjenjuje se Vibroflotacija se uglavnom primjenjuje u nekoherentnim tlima. Osnovna oprema potrebna za vibroflotaciju pokazana je na slici Utiskivanje probe potpomognuto je horizontalnim vibracijama i vodom pod pritiskom. Nakon što se dosegne željena dubina, proba se podiže prema gore uz istovremeno ispunjavanje bušotine materijalom s površine (npr. šljunak) koji se takoñer zbija horizontalnim vibracijama probe. U konačnici dobiva se pilot od krupnozrnog materijala te zona zbijenog prirodnog tla oko njega (slika ). Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 23

24 Najbolji rezultati postižu se u rahlim pijescima, naročito ispod RPV. U granulometrijskom dijagramu (slika ) zona A predstavlja materijale u kojima se postižu najbolji rezultati, dok su materijali u zonama A i C manje poželjni. U zoni C teže se postižu dobri efekti zbijanja, a u zoni A su materijali kod kojih je brzina prodiranja mala a mogu se očekivati i problemi u provoñenju radova zbog velikih čestica. Slika Oprema za vibro-flotaciju. Slika Proces zbijanja kod vibro-flotacije. Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 24

25 N [%] N (%) D [mm] D (mm) Slika Primjenjivost vibro-flotacije prema granulometrijskom sastavu tla. Uspješnost zbijanja ovisna je o sadržaju finih čestica (promjer < 0,074 mm) a pokazana je na slici Broj udaraca Poslije poboljšanja Prije poboljšanja Sadržaj finih čestica <0,74mm Slika Utjecaj sadržaja finih čestica na rezultate SPP-a. Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 25

26 Tipični rasporedi bušotina pokazani su na slici do do Za kvadratične temelje od 1,3-1,7 m Za kvadratične temelje od 1,8-2,1 m do do Za kvadratične temelje od 2,2-2,9 m Za kvadratične temelje od 3,0-3,5 m Slika Raspored zbijanja kod vibro-flotacije Kompakcijsko zbijanje Kompakcijsko injektiranje je jedna od metoda mehaničkog poboljšanja tla dubokim zbijanjem. Koristi se kao metoda za poboljšanje svojstva tla, odnosno povećanje gustoće i nosivosti tla zbijanjem. Ideja metode zasniva se na utiskivanju injekcijske smjese pod velikim pritiskom u tlo, kako bi se ojačale oslabljene formacije rahlog tla, te je za takav proces povezivanja čestica tla namijenjen termin ''Compaction grouting'', odnosno u prijevodu ''Kompakcijsko injektiranje''. Američko društvo grañevinskih inženjera je godine dalo definiciju za kompakcijsko injektiranje: ''Kompakcijsko injektiranje injektiranje cementnom smjesom za slijeganja manja od 25 mm. Za dobro cementirano tlo potrebna je odreñena količina praha radi plastifikacije materijala, odnosno odgovarajuće količine pijeska radi razvijanja unutrašnjeg trenja. Cementna smjesa ne ulazi u pore tla, već se formira kao homogena masa, kojom možemo kontrolirano zbijati rahla tla, koristiti je za kontrolirano izdizanje objekata ili koristiti je za oboje''. Istraživanje i primjena kompakcijskog injektiranja počela je ranih 50-ih godina prošlog stoljeća u SAD-u, te se na početku obično koristila kao pomoćna tehnika već postojećim metodama za poboljšanje svojstava tla. Kasnijih godina, metoda se pokazala vrlo dobrom i kod primjene u urbanim sredinama prilikom tunelogradnje u mekim tlima. Početkom 80-ih kompakcijsko injektiranje se koristilo kao tehnika za poboljšanje terena prije Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 26

27 izgradnje novih objekata, te je korištena zajedno s dinamičkim dubokim zbijanjem prilikom poboljšanja tla ispod jedne elektrane. Općenito gledajući, metodu kompakcijskog injektiranja koristimo u uvjetima kod kojih je došlo do slabljenja tla bilo zbog djelovanja čovjeka ili zbog prirodnih procesa u zemlji, odnosno pojava urušavanja u tlu. Takoñer se može primijeniti kao ojačanje postojećih temelja nekog objekta, za izravnanvanje i izdizanje slegnutih terena pod opterećenjem, pripremu terena za gradnju budućih objekata i sl. Primarni cilj kompakcijskog injektiranja jest zbijanje, odnosno povećanje gustoće i čvrstoće oslabljenih formacija tla. Takav efekt se postiže cilindričnim utiskivanjem injekcijske smjese kroz injekcijske cijevi, uslijed čega dolazi do širenja injekcijske smjese i zbijanja okolnog tla. Tijelo koje se formira kompakcijskim injektiranjem je uglavnom kuglastog oblika promjera oko 1 m ili više ovisno o uvjetima u tlu (Slika ). Prilikom utiskivanja injekcijske smjese u tlo, formirano tijelo se radijalno širi što izaziva i plastične deformacije u zonama kontakta injekcijske smjese i okolnog tla, dok se u zonama udaljenijim od tog kontakta čestice tla zbijaju, tj. povećava im se gustoća, te su u tom području deformacije više elastične nego plastične. Injekcijska cijev Radijalno zbijanje čestica tla Tijelo rastuće injekcijske Slika Tijelo formirano kompakcijskim injektiranjem. Ovisno o redoslijedu injektiranja, utiskivanje injekcijske smjese se može vršiti na dva načina. Jedan način je injektiranje od vrha prema dnu, a drugi od dna prema vrhu injekcijske cijevi. Injektiranje od dna prema vrhu, odnosno izvlačenjem cijevi prema površini je najčešće korišteni način injektiranja, jer se pokazao kao jeftiniji i efikasniji od suprotnog načina injektiranja, utiskivanjem injekcijske smjese od vrha prema dnu. Proces injektiranja jedne bušotine izvodi se u četiri koraka: Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 27

28 1. Izrada bušotine namijenjene za kompakcijsko injektiranje 2. Umetanje injekcijske cijevi u bušotinu 3. Utiskivanje injekcijske smjese u fazama 4. Izvlačenje injekcijske cijevi nakon injektiranja Prije samog injektiranja, izbuši se bušotina odreñene dužine u koju se naknadno umeće injekcijska cijev. Zatim slijedi utiskivanje injekcijske smjese u fazama npr. počevši od dna bušotine prema vrhu. Nakon završetka prethodne faze injektiranja, cijev se izvlači prema gore za odreñenu dužinu te slijedi sljedeća faza utiskivanja injekcijske smjese. Zadnja faza injektiranja je pri samoj površini terena, nakon čega slijedi izvlačenje injekcijske cijevi iz bušotine čime završava proces injektiranja jedne bušotine (Slika ). BUŠENJE CILINDAR INJEKCIJSKE CIJEVI INJEKCIJSKA CIJEV INJEKCIJSKA CIJEV PRVI KORAK: IZRADA BUŠOTINE DRUGI KORAK: UMETANJE INJEKCIJSKE CIJEVI TREĆI KORAK: UTISKIVANJE INJEKCIJSKE SMJESE U FAZAMA IZVLAČENJEM ČETVRTI KORAK: IZVLAČENJE INJEKCIJSKE CIJEVI PO ZAVRŠETKU Slika Proces injektiranja jedne bušotine izvlačenjem injekcijske cijevi od dna prema površini. Injekcijska smjesa se utiskuje cilindrično kroz injekcijske cijevi unutarnjeg promjera minimalno 5 cm, dok debljina cijevi može biti po želji. Kako je redoslijed injektiranja bitan za pojedinu bušotinu, tako je raspored bušotina i razmak izmeñu injekcijskih cijevi od iznimne važnosti za čitav projekt kompakcijskog injektiranja. Raspored i razmak izmeñu injekcijskih cijevi odreñen je projektnim rješenjem, prema kojem odreñivanje tih parametara uvjetuju karakteristike tla, potrebna učinkovitost i ekonomska isplativost. Takoñer je bitna i instalacija injekcijskih cijevi u bušotinu, kako ne bi došlo do neželjenih problema unutar bušotine tokom injektiranja. Iz tog razloga se cijevi Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 28

29 pojedine bušotine spojene čeličnim navojima te moraju biti dobro prilijepljene uz tlo, kako bi se uslijed jakog pritiska tokom injektiranja, izbjegli problemi poput curenja i odbacivanja injekcijske smjese Primjena kompakcijskog injektiranja Primjena metode kompakcijskog injektiranja je raznolika, iako je svrha u svakoj primjeni jednaka, koristi se u raznim situacijama. Općenito gledajući kompakcijsko injektiranje se koristi radi poboljšanja svojstva tla kod kojih je došlo do slabljenja bilo zbog čovjekovog djelovanja (geotehnički, grañevinski, rudarski zahvati i sl.) ili zbog prirodnih procesa u tlu. Tako primjenu ove metode možemo podijeliti na primarnu i sekundarnu primjenu. Pod primarnom primjenom kompakcijskog injektiranja podrazumijevaju se situacije kod: - oslabljenja i propadanja (organsko raspadanje) prirodnih uvjeta u tlu - oslabljenje tla i pojave pukotina radi loše ugradnje - oslabljenja tla nastala iskapanjem u blizini - oslabljenja tla nastalo i uzrokovano pojavom urušavanja - oslabljenja tla nastalo odvodnjavanjem - oslabljenje tla nastalo i uzrokovano kvarovima na infrastrukturi (npr. vodovi). a b Pjeskovito tlo Oslabljeno tlo Pjeskovito tlo Oslabljeno tlo Vapnenac Vapnenac c d Pjeskovito tlo Oslabljeno tlo Pjeskovito tlo Oslabljeno tlo Vapnenac Vapnenac Slika Prikaz izdizanja i poravnavanja površine nadsloja iznad urušenog tla kompakcijskim injektiranjem. Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 29

30 Na slici se može vidjeti primjena kompakcijskog injektiranja u situaciji kojoj je došlo do urušavanja tla. Utiskivanjem injekcijske smjese u tlo, postiže se izdizanje terena i izravnavanje površine. Opis slike: a. prikaz urušenog tla b. utiskivanje injekcijske smjese u tlo c. zbijanje nadsloja kompacijksim injektiranjem d. izdizanje i poravnanje površine nadsloja Kompakcijsko injektiranje, kao oblik sekundarne primjene, može se koristiti i kod izravnjavanja slegnutih terena ispod grañevina, kao priprema budućeg gradilišta, odnosno poboljšanje svojstava tla prije gradnje novih objekata (kao konstrukcijski element), kao potpora već postojećim temeljima (Slika ) i sl. Primjena kompakcijskog injektiranja u svrhu pripreme terena gradilišta koristi se isklljučivo u uvijetima u kojima je svaka druga metoda ekonomski neisplativa. Okolnosti kod kojih se kompakcijsko injektiranje može upotrijebiti kao priprema gradilišta za gradnju novih objekata su: - prisutnost tankih i dubokih ''problematičnih zona'' koje bi mogle izazvati velika slijeganja tijekom novih opterećenja ili budućih seizmičkih aktivnosti - prisutnost oslabljenog nadsloja u jako promjenjivim vapnenačkim naslagama, gdje duboko temljenje u zdavoj stijeni nije ekonomski isplativo Oslabljene naslage Oslabljene naslage Oslabljene naslage Srednje čvrste naslage Srednje čvrste naslage Srednje čvrste naslage Slika Ojačanje tla ispod postojećih temelja objekta i faze injektiranja. Vrste i svojstva tla pogodna za primjenu kompakcijskog injektiranja: Vrste tla u kojima se postižu dobri efekti primjenom kompakcijskog injektiranja dijele se na 5 kategorija: Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 30

31 Rahla krupnozrnata tla iznad i ispod razine podzemne vode Tla okarakterizirana ovom kategorijom su najpogodnija za uporabu kompakcijskog injektiranja. U ovakvim tlima se obično javljaju pijesci ili šljunci sa sadržajem praha i nekih glina. Broj udaraca, dobvieni SPT pokusima, obično se kreću izmeñu 0 do 15 ili 20. Kompakcijsko injektiranje se u ovim tlima izvodi bez obzira na postojeću gustoću i postajanje ili ne postojanje opterećenja. Meka nesaturirana sitnozrnata tla U ovim tlima se najvećim djelom javljaju mulj i/ili prah, te se kompakcijsko injektiranje može primijeniti samo u slučaju da su tla nesaturirana. Zahvati u debelim saturiranim slojevima gline i praha mogu biti i dodatni problem, odnosno dodatno ubrzati slijeganje, te se u takvim tlima ne bi smijelo izvoditi kompakcijsko injektiranje. Vrijednosti N broja udaraca za meka nesaturirana sitnozrnata tla, dobivene SPT pokusima, obično se kreću izmeñu 0 i 10. Kolapsibilna tla Kompakcijsko injektiranje se uspješno primjenjuje i u naslagama prapora i lesa nastalim nanosima vjetra u suhim područjima. Problem kod ove kategorije može biti saturacija tla izazvana loše izvedenim drenežnim sustavom na nekom odreñenom području. Porozna tla Popunjavanje pora unutar tla ili stijena kompakcijskim injektiranjem je efikasnije od zapunjavanja pora žitkim smjesama. Injekcijske smjese utisnute kompakcijskim injektiranjem lakše je kontrolirati, te se smjese neće dodatno proširivati. Iz tih razloga se kompakcijsko injektiranje koristi i kod sanacije terena kod kojih je došlo do urušavanja pojavom unutrašnjih erozija u podzemlju. Tanki nepopravljivi slojevi praćeni odreñenim opterećenjem Tla mogu biti suhi ili saturirani prah, glina ili organsko tlo (treset), no debljine naslaga ne bi smjele manje od 2 m te se slojevi trebaju nalaziti 2 m ispod opterećenja izazvanog objektima na površini Projektiranje i kontrola kvalitete Parametri projektiranja Prije same izvedbe kompakcijskog injektiranja, potrebno je izvesti istražne radove na terenu kojima ispitujemo i utvrñujemo značajke tla i stijena, vrstu Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 31

32 materijala, njihov položaj i fizičko - mehanička svojstva. Istražni radovi provedeni na terenu i u laboratariju, prikazuju se geološkim i geotehničkim profilom, koji je nužno potreban za odreñivanje optimalnih parametra budućih zahvata, kao što je kompakcijsko injektiranje. Kao i u svim sličnim projetktnim riješenjima, odreñivanje parametara uvjetuju, osim karakteristika podzemlja, i ekonomska isplativost zahvata. Parametri koji se uzimaju u obzir pri projektiranju zahvata kompakcijskim injektiranjem: a) Razmak izmeñu injekcijskih cijevi - razmak meñu cijevima se kreće obično izmeñu 1 i 5 m ovisno o uvjetima u tlu - manji razmak služi sa postizanje veće kompaktnosti blizu površine terena, te gdje je debljina nadsloja manjih dimenzija, razmaci su obično izmeñu 1,5 do 2.10 m - veći razmak se koristi kod većih debljina nadsloja (10 m), te gdje su uvjeti tla dobri što ne zahtjeva veliko poboljšanje tla, razmaci su obično izmeñu 2,40 do 3,0 m b) Redosljed injektiranja - prvi i najčešće korišten način injektiranja jest od dna prema vrhu izvlačenjem injekcijske cijevi - drugi način je utiskivanje injekcijske smjese počevši od vrha prema dnu bušotine c) Pritisak tokom injektiranja - pumpe koje se koriste za kompakcijsko injektiranje trebaju omogućiti pritiske injektiranja i do 110 kn/cm 2 d) Brzina injektiranja - manje bilance injektiranja u iznosu od 0,15 do 0,3 m 3 /min koriste se za injektiranje oslabljenih dreniranih tala blizu površine - srednje vrijednosti u razmaku od 0,3 do 1,2 m 3 /min koriste se u uvjetima slobodnog dreniranja i u suhim tlima - veće se vrijednosti od 1,2 do 4,0 m 3 /min koriste se mekim raspucalim formacijama sa čvrstom krovinom e) Volumen injekcijske smjese - volumen smjese mora biti odreñen s obzirom na postizanje željenog efekta, ne smije se dogoditi pretjerano izdizanje terena - povećanje volumena je moguće ukoliko se ne prmijete željeni rezultati, tj. nedovoljno izdizanje terena Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 32

33 - smanjenje volumena primjenjuje se ukoliko je uočeno izdizanje već u ranim fazama injektiranja - volumen se odreñuje prema razmaku izmeñu injekcijskih cijevi unutar mreže bušotina i prema dužini faza injektiranja unutar bušotine f) Izdizanje - prije injektiranja treba postaviti granice izdizanja površine terena odnosno objekata na površini - izdizanja se prate geodetski na površini, te je potrebno pratiti i najmanja izdizanja u višestrukim fazama injektiranja - kao dobar kriterij izdizanja smatraju se vrijednosti od 1,77 cm za ukupno izdizanje, te 0,25 cm za izdizanje pojedine faze injektiranja g) Injekcijska smjesa - materijal kompakcijske smjese bi trebao sadržati dovoljno finih čestica radi plastifikacije smjese, te dovoljno zrnatih materijala radi poboljšanja unutarnjeg trenja - komponente injekcijske smjese su obično pijesak/pjeskovito tlo, te razne primjesama, kao što su cement, lebdeći pepeo, bentonit, krupni agregat - glavna komponenta injekcijske smjese je pijesak odnosno pjeskovito tlo koji se koristi sam ili u kombinaciji s cementom kao primjesom - ukoliko je prirodni i dobro graduiran pijesak teško dostupan, može se koristiti i umjetno proizveden materijal u kombinaciji s lako dostupnim materijalima - cement se koristi kao primjesa radi povećanja čvrstoće injekcijske smjese - lebdeći pepeo se koristi takoñer kao primjesa kako bi se dobila odgovarajuća finoća smjese ili kao zamjena za cement - udio bentonita u smjesi je svedena na minumum, pretjerana uporaba bentonita uzrokuje ponašanje smjese kao konzistente masti - šljunak i ostali krupni agregat sa malim zrnima valutičastog oblika (veličine ispod 1,7 cm) se takoñer mogu koristiti kao primjesa u injekcijskim smjesama Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 33

34 4.4. Kontrola zbijanja Postoji niz raznih metoda pogodnih za provjeravanje efekata zbijanja tla, no općenito se one dijele na dvije skupine: metode koje se provode s površine terena, i metode koje se provode na većim dubinama. Obično se mjere samo neke osobine tla, kao npr. vlažnost i gustoća, ili neki indeksni pokazatelji (CPT, SPT) te se na temelju njih procjenjuje čvrstoća ili deformabilnost pomoću raznih korelacija ili empirijskih izraza Metode za kontrolu uspješnosti plitkog zbijanja Obično se gustoća i vlažnost zbijenog tla mjeri terenskim ispitivanjima. Gustoća se može mjeriti primjenom cilindra s kalibriranim pijeskom (eng. sand cone test), ili balonom s vodom ili pomoću vode i nepropusne membrane u tlu (slika a, b, c). Staklena posuda s kalibriranim pijeskom Ploča Ventil Lijevak (a) Kontrolni Tlak zraka Pumpa Voda Ventil za zrak (b) Balon Voda PE (c) Slika Terensko mjerenje gustoće tla. Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 34

35 Nuklearnim denzimetrom može se mjeriti gustoća i prirodna vlažnost tla (slika ). Metoda je pouzdana i brza, no samo adekvatno obučeno osoblje možee provoditi ovo ispitivanje, zbog izlaganja radioaktivnom zračenju. Osim toga koriste se osobni dozimetri kako bi se kontrolirala izloženost zračenju svakog pojedinca. Kućište Detektor Izvor Putanja fotona Kućište Detektor Izvor Putanja fotona Kućište Izvor Detektor Putanja fotona Slika Mjerenje nuklearnim denzimetrom. Unutar ureñaja nalazi se radioaktivni izvor (npr. Cs 137) koji emitira gamazrake. Zrake se emitiraju ili s površine terena (slika b) ili s male dubine (slika a), te se mjeri broj protona koji se vraćaju u ureñaj. Absorpcija gama-zračenja zavisi uglavnom o gustoći medija i njegovom sastavu, pa se stoga mora kalibrirati ureñaj odgovarajućim materijalom. Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 35

36 Za mjerenje vlažnosti koristi se izvor neutrona (npr. Am 241: Be). Neutroni bivaju usporeni pri nailasku na vodik, pa se na temelju broja usporenih neutrona procjenjuje vlažnost medija. Pokus kružnom pločom daje podatke o krutosti i čvrstoći tla, a najviše se koristi u cestogradnji. Prednosti ovog pokusa su da se rezultati dobivaju vrlo brzo, te da je pogodan za razne vrste materijala. Princip i rezultat mjerenja pokazani su na slici (a) Shematski prikaz ureñaja (b) Rezultati mjerenja Tlak Slijeganje LEGENDA: 1 - manometar, 2 - oslonac, 3 - klip, 4 - mjerenje deformacije, 5 - ploča Slika Pokus kružnom pločom. Nagib krivulje zove se koeficijent reakcije podloge: k s p s kn m = 3 Uz korištenje teorije elastičnosti, modul elastičnosti E može se dobiti iz poznate relacije: 2 I p D ( 1 ν ) α c s = E Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 36

37 gdje je: p primijenjeno naprezanje (pritisak), D promjer kružne ploče, ν Poissonov koeficijent, I faktor oblika, αc faktor korekcije. Faktor I ovisi o obliku temelja i njegovoj krutosti (npr. za kružni temelj iznosi I=0,79(π/4). Koeficijent αc ovisi o dubini ukapanja, pa je tako za D=0, αc= Metode za kontrolu uspješnosti dubokog zbijanja Uspješnost dubokog zbijanja relativno lako se odreñuje već tijekom rada mjerenjem slijeganja ili utroška materijala za ispunu. Najčešće se uspješnost kontrolira pomoću: CPT, SPT, presiometrom i dilatometrom. Brzina seizmičkih valova prije i poslije zbijanja takoñer se može koristiti, kako za odreñivanje poboljšanja svojstava tako i za odreñivanje volumena poboljšanog tla. Dinamički standardni penetracijski pokus SPT (mjerenje broja udaraca) i statički CPT pokus (mjerenje otpora prodiranju šiljka) koriste se najčešće. Danas se preferira CPR pokus jer daje kontinuirani zapis po dubini, a može se mjeriti ne samo otpor prodiranju šiljka, nego i otpor po plaštu kao i porni pritisci. Na temelju SPT i CPT mogu se procijeniti druga svojstva: relativna gustoća, čvrstoća i deformabilnost iz korelacijskih veza. SPP - pokus Obzirom da se pokazalo da o relativnoj gustoći ovisi kut trenja pijeska, Terzaghi i Peck su dali ovisnost relativne gustoće o broju udaraca kako je pokazano u tablici Nož Rasklopni cilindar Čelična kuglica Ventili Slika Cilindar za SPP. Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 37

38 Tablica N broj udaraca Relativna gustoća 0 4 vrlo rahlo 4 10 rahlo srednje zbijeno zbijeno > 50 vrlo zbijeno Gibbs i Holtz (1957) su pokazali da rezultati penetracijskog pokusa ovise i o veličini in-situ naprezanja (slika ) za pijeske. Bazaraa je dao nešto drugačiju ovisnost navedenih veličina (slika ) tj. manje vrijednosti relativne gustoće za iste uvjete, a kao posljedicu toga manju čvrstoću i veću deformabilnost. Mišljenje je da se ovisnost koju su dali Gibbs i Holtz može primijeniti za normalno konsolidirana tla dok su rezultati Bazaraa primjenjivi za prekonsolidirana tla. N Geološko naprezanje Krivulja Terzaghi-Peck Dr (%) Ovisnost broja udaraca N o relativnoj gustoći i geološkom naprezanju. Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 38

39 N D r (%) σ (kpa) Ovisnost broja udaraca N o relativnoj gustoći i geološkom naprezanju. CPT pokus Za procjenu uspješnosti zbijanja koristi se otpor na vrhu, a takoñer i sljedeći omjer: otpor na plaštu F R = otpor na vrhu Mjerenje otpora plašta Mjerenje otpora šiljka O - brtva Šiljak Mjerenje pornih pritisaka Slika Cilindar za CPT. Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 39

40 Korištenjem CPT-a dobiva se kontinuirani zapis (slika ) te se lako može odrediti dubina do koje su postignuti efekti zbijanja. Otpor šiljka (MPa) Prije zbijanja Poslije zbijanja Dubina (m) Dubina do koje je tlo zbijeno Slika Utjecaj zbijanja postignut valjkom u finom pijesku. q c (MPa) Za normalno konsolidirani, potpuno saturirani, fini pijesak D r σ v (kpa) Slika Odnos otpora šiljka i zbijenosti pijeska. Na slici pokazana je ovisnost relativne gustoće o otporu na vrhu, qc, u zavisnosti od in-situ naprezanja. Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 40

41 Procjena kompresibilnosti na temelju penetracijskih pokusa D'Appolonia (1970) daje korelaciju izmeñu modula elastičnosti, E i broja udaraca iz SPT-a (slika ), na temelju opažanih slijeganja temelja. E (MPa) Prekonsolidirani ili zbijeni pijesak NC pijesak Slika Odnos modula elastičnosti i SPP-broja udaraca. N Ako se slijeganje procjenjuje (Parry, 1977) iz relacije: q B s = 0,3 N gdje je: s slijeganje (mm), B širina temelja (m), q opterećenja (kpa), N broj udaraca, onda se odgovarajući modul elastičnosti dobiva: E = 2,8 N, (MPa). Schmertmann (1978) daje ovisnost modula elastičnosti NC pijeska o otporu na vrhu CPT-a: E E 2,5 q za L/B = 1-2 = c 3,5 q za L/B > 10 = c Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 41

42 gdje je: L duljina temelja, B širina temelja. Presiometar Pokus se provodi u bušotini tako da se nanosi tlačno opterećenje a mjere se deformacije. Analizom rezultata mogu se dobiti podaci o čvrstoći i deformabilnosti tla te o in-situ stanju naprezanja. Danas se uglavnom koristi Menard-ov presiometar (slika ). kontrolna ploča pritisak u vodilicama mjerenje ćelijskog pritiska mjerenje promjene volumena regulator pritiska kompresijski zrak diferencijalni regulator pritiska vodilica mjerna ćelija vodilica bušotina Slika Menard-ov presiometar Tipični izgled dobivenih rezultata pokazan je na slici Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 42

43 p tlak na tlo, V volumen vode u sustavu za mjerenje, Vc volumen mjerne ćelije, AB - elastično područje, V0 početni volumen u bušotini, p0 tlak na početku elastičnog područja, jednak je in-situ naprezanju, Vf volumen na kraju elastičnog područja, pf tlak puzanja, Vm volumen na sredini elastičnog područja, C slom tla, pl granični tlak pri slomu tla. Slika Presiometarska krivulja Modul elastičnosti dobiva se iz relacije: ( 1 + ν) E = 2 V m p V f f p V 0 0 = K e p V f f p V 0 0 gdje je: ν - Poissonov koeficijent (1/3 preporuka Mennard), Ke konstanta opreme. Dilatometar Ovaj ureñaj razvijen je u Italiji te je poznat pod nazivom Marchetti-jev dilatometar (slika ). Sastoji se od čeličnog noža debljine 14 mm, koji s jedne strane u sredini ima ekspanzivnu membranu promjera D=60 mm. Ureñaj se utiskuje u tlo na dnu bušotine brzinom mm/s. Nakon toga nameće se tlak u membranu, te se bilježi početni tlak p0 i tlak p1 pri pomaku središta membrane za s0=1 mm. Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 43

44 Modul elastičnosti dobiva se iz izraza: E D E 2 D = = p 1 ν s 0 tj. uz D=60 mm i s0=1 mm dobiva se: E D = 32,2 p Bušaći pribor Upravljački sklop Električni kabel Ulaz el. kabla u cijev Dilatometar Slika Marchetti-jev dilatometar. Seizmička ispitivanja Brzina širenja seizmičkih valova može takoñer ukazati na uspješnost zbijanja tla. Koristi se mjerenje u bušotinama (slika ). Modul smicanja u zavisnosti od brzine S-vala Cs i gustoće materijala definiran je relacijom: G max = C 2 s γ Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 44

45 Uz pretpostavljenu vrijednost Poissonovog koeficijenta od 0,3, ostale konstante elastičnosti dobivaju se iz izraza: M = 3,5 G = 1,34 E Pobuda Osciloskop Cijev PVC cijev Klin Geofon Brzina S-vala (m/s) Dubina (m) Prije Poslije zbijanja Slika Seizmičko ispitivanja. Tipični rezultati prije i poslije zbijanja pijeska pokazani su takoñer na slici Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 45

46 5. HIDRAULIČKO POBOLJŠANJE Poznato je da voda ima značajan utjecaj na stabilnost raznih grañevina načinjenih u tlu ili od tla. Promjene pornih pritisaka uzrokuju promjenu efektivnih naprezanja u tlu, te kao posljedicu toga promjenu čvrstoće i stabilnosti. Metodama hidrauličkog poboljšanja obuhvaća se snižavanje RPV, preusmjeravanje toka vode ili smanjenje vlažnosti materijala. U krupnozrnatim materijalima snižavanje RPV postiže se gravitacijskom drenažom uz korištenje drenažnih jama, kanala i bunara. U sitnozrnatim tlima gravitacijska drenaža je prespora i neefikasna, pa se kombinira snižavanje RPV s prethodnom konsolidacijom uzrokovanom opterećenjem ili elektroosmozom. U novije vrijeme dreniranje se provodi i upotrebom geotekstila i drugih geosintetika. Osim tradicionalno prihvaćenih metoda dreniranja, za kontrolu utjecaja vode koriste se i drugi inženjerski zahvati kao npr. dijafragme, zagatne stijene, geomembrane. Dreniranje se provodi radi: omogućavanja izrade objekata (temelj, brana, tunel) u suhom prostoru, stabilizaciju prirodnih i umjetnih kosina, smanjenje pritisaka na potporne konstrukcije, smanjenja stišljivosti tala, povećanja nosivosti temelja, sprečavanja likvefakcije, sprečavanja erozije (piping), sprečavanja ili umanjenja utjecaja smrzavanja tla. Treba voditi računa da li će sniženje RPV uzrokovati slijeganja koja su možda nepoželjna za okolne objekte. Primjenjivost nekih metoda hidrauličkog poboljšanja ovisi o vrsti tla tj. njegovom granulometrijskom sastavu (slika 5.1). Gravitacijska drenaža prespora Elektroosmoza Bunari ili vakumski bunari Gravitacijska drenaža Potrebni podvodni radovi Raspon se moze povećati upotrebom velikih pumpi Glina Prah Pijesak Šljunak Oblutci Slika 5.1. Primjenjivost metoda hidrauličkog poboljšanja. Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 46

47 5.1. Drenažni jame i kanali Snižavanje RPV pomoću kanala i drenažnih jama pokazano je na slici To je najjednostavniji i najjeftiniji način dreniranja. Primjenjiv je u plićim iskopima načinjenim u dobro graduiranim tlima i stijenama, te u slučaju da se ispod propusnog tla nalazi sloj nepropusnog materijala. Kod poduprtih iskopa treba paziti da ne doñe do pojave hidrauličkog sloma tla. RPV Pumpa Drenažna jama RPV Pijesak Drenažni jarak Stijena Strujanje Slika Drenažne jame i kanali. Snižavanje RPV u kosinama koje su načinjene u glinama može se ostvariti izgradnjom drena u nožici i vertikalnih drenažnih usjeka (slika 5.1-2). Nestabilan pokos Šljunak ili pijesak Glinovito tlo Dren Slika Dreniranje kosine. Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 47

48 5.2. Gravitacijski i vakuum bunari Upotreba gravitacijskih bunara pokazana je na slici Pumpanjem vode iz drenažne bušotine postiže se snižavanje RPV u njenoj okolini. Obično se linija slobodnog vodnog lica spušta najmanje 0,5 m ispod kote iskopa u šljuncima i krupnim pijescima odnosno više od 0,7 m u sitnim pijescima. Spuštanje linije slobodnog vodnog lica može se obaviti i u nekoliko faza kako je pokazano na slici Vertikalni bunar Orig. RPV Horizontalni bunar Bunar Potopljena pumpa Dren Slika Vrste bunara. Prva faza Druga faza Orig. RPV Iskop Cijev za odvodnjavanje Linija slobodnog vodnog lica Slika Spuštanje RPV u nekoliko faza. Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 48

49 U finim pijescima i prahovima (k = m/s) crpljenje vode može biti otežano zbog kapilarnih sila. U tom se slučaju gravitacijski tok vode poboljšava korištenjem vakuum-bunara (slika 5.2-3). Vakuum-bunari moraju se postaviti vrlo blizu udaljeni jedan od drugoga 1 2,5 m, s razmakom izmeñu redova od m. Bunari mogu biti vertikalno ili koso položeni. Vakuum Pumpa Brtva Vakuum Slika Vakuum-bunari Geostatska naprezanja i porni pritisci Treba se podsjetiti na princip efektivnih naprezanja, kako bi se izveli zaključci o učinku dreniranja tla: σ ' = σ u (5.1) Efektivna naprezanja naročito su važna za proračune stabilnosti. Posmična čvrstoća materijala ovisi o efektivnim naprezanjima, pa ukoliko dolazi do povećanja pornih pritisaka bez povećanja totalnih naprezanja, zbog dodatnih opterećenja ili toka vode u tlu, čvrstoća će se smanjiti, barem neko vrijeme. U tom slučaju dreniranje će imati pozitivni utjecaj. No, uslijed dreniranja tla, može doći do slijeganja tla, pa to može imati negativan utjecaj na susjedne objekte. Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 49

50 5.4. Količina vode koja se može izdrenirati Omjer izmeñu količine vode koja se može gravitacijski izdrenirati iz elementa tla prema njegovom ukupnom volumenu zove se koeficijent skladištenja ili specifično otpuštanje. Raspon tipičnih vrijednosti koeficijenta skladištenja za pijesak i šljunak su 0,2 0,3. Količina vode koja se zadrži u elementu tla naziva se specifična retencija Odreñivanje koeficijenta propusnosti Količina vode koja se može izdrenirati iz elementa tla ovisi o koeficijentu propusnosti. U tlima s koeficijentom propusnosti 0,0001 0,01 m/s (šljunci, pijesci) postižu se najbolji učinci dreniranja. Pouzdano poznavanje koeficijenta propusnosti bitno je za projektiranje drenažnih bunara i odabir pumpi za crpljenje vode. Svojstva tla koja značajno utječu na njegovu propusnost su: veličina zrne, koeficijent pora, mineraloški sastav, struktura, i stupanj zasićenosti. Za krupnozrnata tla propusnost je bitno odreñena koeficijentom pora, dok je kod sitnozrnatih tala značaj mineraloškog sastava i strukture naglašeniji. Obzirom da nije jednostavno dobiti reprezentativne uzorke nekoherentnih tala, preporučuje se terensko odreñivanje njihove propusnosti. U nedostatku takvih podataka, mogu se koristiti empirijske formule, temeljene na analizi granulometrijskog sastava tla. Tako je poznat izraz kojeg je dao Hazen (1892): 2 D 10 [ cm/s] k = 100 (5.2) Općenitije, navedeni izraz koristi se u sljedećem obliku: k 2 D 10 [ cm/s] = C (5.3) gdje konstanta C ovisi o koeficijentu jednoličnosti, Cu, kako je pokazano u Tablici (Beyer). Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 50

51 Tablica Cu = D60/D10 C 1-1, , , , ,9 70 >20 60 U laboratoriju se propusnost odreñuje pokusima s konstantnom (slika 5.5-1) ili promjenjivom razlikom potencijala (slika 5.5.2) tj. korištenjem izraza 5.4 i 5.5. Q dx k = (5.4) A dh Slika Mjerenje propusnosti s konstantnom razlikom potencijala. a dx h 1 k = ln (5.5) ( ) h2 A t 2 t 1 Slika Mjerenje propusnosti s promjenjivom razlikom potencijala. Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 51

52 Terenski se propusnost odreñuje pokusnim crpljenjem iz bunara (slika 5.5.3). Potrebno je načiniti jedan bunar za crpljenje vode i barem dvije bušotine za odreñivanje piezometarskog potencijala. Za otvoreni vodonosnik koeficijent propusnosti odreñuje se iz izraza: Q ln (r2 / r1 ) k = (5.6) π 2 2 (h h ) 2 1 Za zatvoreni (arteški) vodonosnik debljine m, koeficijent propusnosti odreñuje se iz izraza: Q ln (r2/r1 ) k = (5.7) 2 π m (h h ) 2 1 Slika Terensko mjerenje propusnosti Odreñivanje kapaciteta bunara Količina vode, Qi, koja se može ispumpati iz bunara radiusa r, računa se prema izrazu: Q i = 2 π r h k i, w e gdje je: hw=h0 (slika 5.6-1), ie prosječni ulazni gradijent. Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 52

53 Prema emprijskom izrazu (Sichardt), ulazni gradijent ne bi smio biti veći od: i = 1 e max 15 k, gdje je k koeficijent propusnosti izražen u m/s. Q imax RPV Krivulja sniženja Propusno Točka A Q Nepropusno Slika Kapacitet bunara. Prema tome, granični kapacitet pojedinačnog bunara iznosi: Q i k = 2 π r h0, 15 Količina vode Qi, prema Dupui-Thiem-ovoj metodi, dobiva se iz izraza: 2 2 k ( h -hw ) Q = π ln( L/r) Ako nacrtamo dijagram ovisnosti Qimax o h0, dobiva se pravac, dok je u istom dijagramu Q predstavljen parabolom. Na presjecištu pravca i parabole (točka A) dobivaju se sljedeći podaci: poželjni minimalni nivo vode u bunaru, h0min, i optimalna količina crpljenja, Qopt, pojedinog bunara. Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 53

54 5.7. Odreñivanje geometrijskih veličina bunara Pod geometrijskim veličinama podrazumijevaju se promjer, dubina i razmak bunara. za njihovo odreñivanje postoji niz iskustvenih podataka. Neke od njih treba uzimati s oprezom obzirom da su nastale zbog drugačijih potreba kao npr. crpljene pitke ili industrijske vode, a ne za privremeno snižavanje RPV. Osim toga, tehnologija bušenja i crpljenja stalno se usavršava. Iskustvene relacije vezane su takoñer uz odreñene geografske i geološke uvjete. Općenito govoreći, korištenjem površinskih pumpi može se voda ispumpavati do maksimalno 8 m dubine. Razmak izmeñu bunara ne bi trebao biti manji od 3 4 m za bunare promjera 150 mm, odnosno 5 6 m za bunare promjera 350 mm. Ukoliko treba brzo sniziti RPV razmak izmeñu bunara može se smanjiti na puno manje vrijednosti (do 0,2 m za šljunke i 1,5 m za fine pijeske). Ako se koriste potopljene pumpe u dubokim bunarima, promjer i dubina odabiru se prema karakteristikama pumpe. 5.8 Postupak projektiranja bunara Ovim postupkom definira se zahtijevana brzina pumpanja i broj bunara potrebnih da bi se postiglo poželjno sniženje RPV ispod kote iskopa. Postupak se provodi u nekoliko koraka: Korak 1: Gruba procjena ukupne količine vode koju treba iscrpiti. Prava površina iskopa zamjenjuje se kružnom iste veličine, te se koristi relacija: Q tot 2 2 k ( h -y ) = π. ln( L/a) Veličine h, y i k odreñuju se iz dimenzija akvifera, zahtijevanog sniženja RPV i vrste tla. Pri tome je a radius zamjenjujuće kružne površine. On se za pravokutni iskop dimenzija x y odreñuje prema: x y a =. π L = C ( h hw ) k = C s k. C=3000 za bunare. Grubo se L za razne vrste tla može procjeniti prema (Kezdi i Marko, 1969): krupni šljunak i obluci L = 500 m, Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 54

55 krupni šljunak L = m, srednji šljunak L = 50 m, pijesak L = 33 m, fini pijesak L = 5 10 m. Da bi se mogao procijeniti L, mora se pretpostaviti h0. On se provjerava u koraku 3, te se po potrebi postupak ponavlja. Korak 2: Potrebni broj bunara. n = Q tot Q max Korak 3: Provjera pretpostavljenog h0. Q tot 2 2 π k ( h -h0 ) = ln L 1 1 ( 1/ n) ln( x x x ) n. Iz ove se jednadžbe odredi h0, te se ponovno računaju L i Q. Koraci 1 3 ponavljaju se dok se ne dobije zadovoljavajuća podudarnost pretpostavljene i dobivene vrijednosti za h0. Korak 4: Povratak na originalni iskop. Potrebno je rasporediti n bunara po obodu iskopa. Provjeriti RPV na obodu i u sredini iskopa korištenjem izraza: 2 2 π k ( h -y ) Q = ln L 1 1 ( 1/ n) ln( x x ) x n. Ukoliko je RPV prevelika, potrebno je povećati količinu crpljenja. Proračun se u tom slučaju ponavlja za manji h0 i veći broj bunara. Kapacitet pumpe procjenjue se iz izraza: N Q h = [kw], 40 ako je Q u [l/s], a h u [m]. Slijeganje susjednih objekata procjenjuje se iz izraza: H σ + σ s =, ' v0 C c log ' 1+ e σ v0 Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 55

56 σ = h γ w, gdje je H debljina konsolidirajućeg sloja, s početnim koeficijentom pora e i indeksom kompresije Cc. ukoliko je konsolidirajući sloj male propusnosti i velike debljine, njegova konsolidacija može biti vrlo spora tako da privremeno sniženje RPV ne mora nužno uzrokovati slijeganje susjednih objekata. Ukoliko procijenjena slijeganja mogu uzrokovati štetu na susjednim objektima, može se nametnuti potreba izgradnje vertikalne zagatne stijene kako se ne bi RPV značajno mijenjala u podzemlju tih objekata. 5.9 Dreniranje upotrebom geosintetika Neke vrste geosintetika (geotekstili, geokompoziti) koriste se za dreniranje. Na slikama # pokazani su neki primjeri njihove upotrebe. Drenažni sloj Geotekstil Drenažni sloj Geotekstil Kameni nabačaj Geotekstil Geotekstil Slika Upotreba geosintetika kao filtera. Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 56

57 Geotekstil Slika Vertikalna drenaža. Nasip Geotekstil Plošni dren Slika Horizontalno i vertikalno dreniranje nasipa. Nepropusna membrana Odplinjavanje Geotekstil Tekući otpad Plin Organsko tlo Kontrolni dren Slika Geotekstil za zaštitu geomembrane. Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 57

58 Zasip Dren Dren Drenažna cijev Slika Izvedba drenažnih jaraka. Infiltracija Geotekstil ili geodren Slika Drenaža iza potpornog zida. Geotekstil Ispuna Saturirana, zbijena glina Slika Drenaža zasipa Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 58

59 6. POBOLJŠANJE PRETHODNIM OPTEREĆENJEM Poboljšanje tla prethodnim opterećenjem je jedna od najstarijih i najčešće korištenih metoda poboljšanja. Predopterećenjem se povećava nosivost i smanjuje stišljivost mekih tala. Kod nekoherentnih tala predopterećenje uzrokuje povećanje gustoće, dok kod koherentnih tala uzrokuje prethodnu konsolidaciju. Postiže se izgradnjom nasipa koje predstavlja privremeno opterećenje na mjestu buduće izgradnje. Prethodno opterećenje može biti jednako ili čak veće od onog kojeg će uzrokovati planirani objekt. Isti učinci mogu se osim prethodnim opterećenjem postići i snižavanjem RPV. Proces se dodatno može ubrzati izgradnjom vertikalnih drenova i horizontalnih drenažnih tepiha. Efekti predopterećenja mogući su samo u slučaju kada je ono veće od naprezanja prethodne konsolidacije. Za ubrzavanje procesa konsolidacije može se koristiti i predopterećenje vakuumom, te elektroosmoza. Iako je metoda primjenjiva u svim vrstama tla, najbolji rezultati postižu se u mekom, koherentnom tlu, stišljivom prahu, organskim glinama i tresetu. Ova se metoda koristi prilikom izgradnje zgrada, nasipa, prometnica i drugih objekata sa svrhom poboljšanja temeljnog tla. Vertikanim drenovima ne postiže se samo ubrzanje konsolidacije, nego i povećanje čvrstoće mekih tala. Takoñer, ugradnja vertikanih drenova neće povećati konačnu veličinu slijeganja, nego samo ubrzati taj proces. Stišljivo tlo Velika slijeganja Predopterećenje Slijeganje uzrokovano predopterećenjem Mala slijeganja Slijeganje S predopterećenjem Bez predopterećenja Vrijeme (a) smanjenje slijeganja Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 59

60 Stišljivo tlo Predopterećenje Slijeganje uzrokovano predopterećenjem (b) smanjenje troškova temeljenja Bez drenaže S vertikalnim drenovima Slijeganje S drenažom Bez drenaže Vrijeme (c) ubrzavanje konsolidacije Slika 6.1 Utjecaj predopterećenja. Vertikalni drenovi mogu biti izgrañeni ili kao cilindrični drenovi od krupnozrnatog materijala (najčešće pijesak) ili kao geosintetički drenovi. Cilindrični drenovi obično imaju promjer od mm, a postavljaju se na Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 60

61 udaljenosti 1,5-6 m. Geosintetički drenovi uglavnom su plošni iako postoje i plastične cijevi kružnog presjeka (slika 6.2). Filter Jezgra PVC ili papir Presjeci kroz jezgru Slika 6.2. Oblici trakastih geosintetičkih drenova. Prednosti upotrebe sintetičkih drenova su: jednostavna i brza ugradnja jednostavno se skladište i transportiraju strojevi za ugradnju su lakši povoljna cijena. Pri projektiranju ovakvih zahvata potrebno je odrediti iznos i potrebno vrijeme trajanja dodatnog opterećenja 6.1. Prethodno opterećenje bez vertikalnih drenova Najjednostavnija primjena metode prethodnog opterećenja sastoji se od nekoliko faza. Nakon nanošenja prethodnog opterećenja jednakog opterećenju od planiranog objekta, čeka se završetak konsolidacije (tj. oko 90%). Nakon toga, uklanja se navedeno opterećenje i započinje izgradnja objekta (slika 6.3). Na dijagramu e - log p uočavaju se promjene koje će u tlu izazvati prethodno opterećenje. Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 61

62 Stišljiva glina Nepropusna podloga Zatećeno stanje Predhodno opterećenje Konačno stanje e c c c r σ v Slika Utjecaj prethodnog opterećenja na koeficijent konsolidacije. Slijeganje uslijed prethodnog opterećenja računa se iz izraza: s po H p0 + p = Cc log 1+ e p 0 0 gdje su: spo - slijeganje uslijed prethodnog opterećenja H - debljina konsolidirajućeg sloja e0 - početni koeficijent pora Cc - modul kompresije p0- početno vertikalno naprezanje p - dodatno naprezanje uslijed predopterećenja. Nakon uklanjanja prethodnog opterećenja i izgradnje objekta, slijeganje uzrokovano objektom znatno je manje i iznosi: Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 62

63 s o H p0 + q = Cr log 1+ e p 0 0 gdje su: so - slijeganje uslijed opterećenja od objekta Cr - modul rempresije q - dodatno naprezanje od objekta. Za uspješno provoñenje ove metode, osim poznavanja naprezanja prethodne konsolidacije, potrebno je znati i nosivost temeljnog tla, kako ne bi dodatnim opterećenjem izazvali pojavu sloma u tlu Prethodno opterećenje potpomognuto vertikalnim drenovima Proces slijeganja tla uslijed vertikalnog dodatnog opterećenja može se ubrzati izgradnjom vertikalnih drenova. Pri tome se proračuni provode uz korištenje tzv. Renduliceve teorije radijalne konsolidacije (Hausmann,1990). Vertikalni drenovi mogu se rasporediti na razne načine, a na slici 6.4. pokazana su dva najčešće korištena rasporeda. Kvadratni raspored Trokutasti raspored Slika prostorni raspored drenova Odreñivanje projektnih parametara Projektiranje poboljšanja prethodnim opterećenjem zahtijeva detaljna terenska ispitivanja bušenjem i penetracijskim pokusima, te uzorkovanje tla i laboratorijska ispitivanja. Posebno treba poznavati sljedeće: slojevitost tj. prisutnost jače propusnih proslojaka uvjete dreniranja (jednostrano - dvostrano) propusnost i stišljivost u horizontalnom i vertikalnom smjeru čvrstoću i deformabilnost tla. Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 63

64 6.4. Kontrola uspješnosti metodom predopterećenja Kako bismo utvrdili uspješnost ove metode poboljšanja tla obično se prate slijeganje nasipa i temeljnog tla te piezometarski nivo vode (slika 6.5). Slijeganja se opažaju u odreñenim vremenskim intervalima npr. jednom tjedno ili mjesečno. Reperi Mjerenje Piezometri Slika Kontrolna mjerenja Elektro-osmoza Elektro-osmoza je još jedna od tehnika kojom se može uspješno odvoditi voda iz tla i uzrokovati prethodno slijeganje. U sitnozrnatim tlima u kojima se stvori električno polje, voda će se pokretati prema katodi. Odvoñenje vode iz tla u blizini katode uzrokuje konsolidaciju tla, te kao posljedicu toga povećanje čvrstoće i smanjenje stišljivosti. Metoda se može nadopuniti injektiranjem tla odreñenim aditivima. Takoñer, kemijske reakcije u blizini elektroda mogu uzrokovati dodatno povećanje čvrstoće. Ova metoda može se prema tome svrstati kako u hidrauličke tako i u fizičko-kemijske metode poboljšanja. Metodu je patentirao Leo Casagrande još godine u Njemačkoj. No, još ranije Reuss (1809, Rusija) je zamijetio kretanje vode kroz tlo pod utjecajem električnog polja. Njegov pokus pokazan je na slici Dvije staklene cjevčice utisnute su u glinu. Stvaranjem električnog potencijala u glini, primjećeno je kretanje vode prema katodi, gdje se razina vode podigla u cjevčici. Objašnjenjenje ove pojave nalazi se u elektrokemijskoj prirodi površine čestica tla i porne vode, a teoretske osnove u teoriji dvostrukog sloja (slika 6.5-2). Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 64

65 Anoda Katoda Voda Zaštitni sloj Glina Slika Shemartski prikaz Reuss-ovog pokusa. Metoda se uspješno primjenjuje ukoliko su zadovoljeni sljedeći uvjeti: 1. saturirani prah ili prašinasta glina 2. normalno konsolidirano tlo 3. mala koncentracija elektrolita (soli). a) Površina čestice gline Čvrsto vezani kationi Hidratizirani kationi Difuzni dvostruki sloj b) Dipolne molekule vode Slika Električni dvostruki sloj (a) i hidratacija kationa (b). Poboljšanje svojstava tla i stijena interna skripta 65